太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展劉盛綱

1、太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展劉盛綱一、前言THz波是指頻率在（0.11 0）THz（波長(zhǎng)為300030微米）范圍內(nèi)的電磁波，1THz=1012Hz。由圖1可見(jiàn)，它在長(zhǎng)波段與毫米波（亞毫米波）相重合，而在短波段，與紅外線(xiàn)相重合下，可見(jiàn)，太赫茲波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置。由于多種科學(xué)技術(shù)原因，特別是THz波源的問(wèn)題未能很好解決，太赫茲波科學(xué)技術(shù)的發(fā)展受到很大的限制，從而使其應(yīng)用潛能未能發(fā)揮出來(lái)，如Fi g.2所示。如Fig.1所示，人們提出THz空白（THz Gap）的概念。其實(shí)THz Gap可以有以下幾方面的意義：1THz所處的位置正好處于科學(xué)技術(shù)發(fā)展相對(duì)較好的微波毫米波與紅外線(xiàn)光學(xué)之間，形成一

2、個(gè)相對(duì)落后的“空白”。2THz的長(zhǎng)波方向，主要依靠電子學(xué)（Electronics）科學(xué)技術(shù)，而THz的短波長(zhǎng)方向則主要是光子學(xué)(Photonics)科學(xué)技術(shù)，從而在電子學(xué)與光子學(xué)之間形成一個(gè)Gap。這點(diǎn)具有深刻的物理含義，將在THz源一節(jié)中詳細(xì)討論。圖2（a）表示半導(dǎo)體器件和激光器件（主要是量子級(jí)聯(lián)激光）的工作頻率范圍。可以看到，所有的半導(dǎo)體器件目前都難以達(dá)到THz波段，而量子級(jí)聯(lián)激光的工作頻率可以從光波向THz延伸下來(lái)。紅線(xiàn)表示2002年以后的發(fā)展?fàn)顩r。圖2（b）則表示真空電子學(xué)THz源的發(fā)展?fàn)顩r?？梢钥吹剑耗承┱婵针娮悠骷墓ぷ黝l率已經(jīng)從微波毫米波波段逐步向THz推進(jìn)，而FEL的頻率則不受

3、限制，可以工作在整個(gè)THz波段。要指出的是，真空電子學(xué)THz源的迅速發(fā)展，也是近幾年發(fā)生的。由于THz所處的特殊電磁波譜的位置，它有很多優(yōu)越的特性，有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值（有的已處于實(shí)用），使得全世界各國(guó)都給予極大的關(guān)注。美國(guó)、歐州和日本尤為重視。1）在美國(guó)包括常青藤大學(xué)在內(nèi)有數(shù)十所大學(xué)都在從事THz的研究工作，特別是美國(guó)重要的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，如LLNL，LBNL，SLAC，JPL，BNL，NRL，ALS，ORNL等都在開(kāi)展THz科學(xué)技術(shù)的研究工作。美國(guó)國(guó)家基金會(huì)(NSF)、國(guó)家航天局(NASA)、能源部(DOE)和國(guó)家衛(wèi)生學(xué)會(huì)(NIH)等從90年代中期開(kāi)始對(duì)THz科技研究進(jìn)行大規(guī)模的投入。2

4、）英國(guó)的Rutherford國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，劍橋大學(xué)、里茲大學(xué)、Strathclyde等十幾所大學(xué)，德國(guó)的KFZ，BESSY，Karlsruhe，Cohn，Hamburg及若干所大學(xué)，都積極開(kāi)展THz研究工作。歐洲國(guó)家還利用歐盟的資金組織了跨國(guó)家的多學(xué)科參加的大型合作研究項(xiàng)目。在俄國(guó)國(guó)家科學(xué)院專(zhuān)門(mén)設(shè)立了一個(gè)THz研究計(jì)劃，IAP，IGP及一些大學(xué)也都在積極開(kāi)展THz研究工作。3）在亞洲國(guó)家和區(qū)域，韓國(guó)國(guó)立漢城大學(xué)、浦項(xiàng)科技大學(xué)、國(guó)立新加坡大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、臺(tái)灣清華大學(xué)等都積極開(kāi)展THz研究工作，并發(fā)表了不少有分量的論文。4）日本于2005年1月8日，公布了日本國(guó)十年科技戰(zhàn)略規(guī)劃，提出十項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)

5、，將THz列為首位。東京大學(xué)、京都大學(xué)、大阪大學(xué)、東北大學(xué)、福井大學(xué)以及SLLSC，NTT AdvancedTechnology Corporation，etc等公司都大力開(kāi)展THz的研究與開(kāi)發(fā)工作。可見(jiàn)，目前已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)形成了一個(gè)THz技術(shù)研究高潮。本次香山會(huì)議的目的是盡可能集中我國(guó)的科學(xué)技術(shù)智慧，研究和討論THz科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，研究和討論并提出對(duì)我國(guó)THz科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展的戰(zhàn)略思考和研究工作的意見(jiàn)和建議，供政府領(lǐng)導(dǎo)參考。因此，本次會(huì)議意義重大。經(jīng)過(guò)慎重研究，本次香山科學(xué)會(huì)上的報(bào)告是這樣安排的：安排了一個(gè)主題報(bào)告THz科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展。在THz科學(xué)技術(shù)及應(yīng)用中輻射

6、源和檢測(cè)技術(shù)是兩個(gè)主要問(wèn)題。對(duì)這兩個(gè)方面安排了四個(gè)專(zhuān)題報(bào)告。成像和光譜技術(shù)對(duì)于THz輻射的應(yīng)用來(lái)講是很關(guān)鍵的，安排了兩個(gè)專(zhuān)題報(bào)告。真空電子學(xué)對(duì)THz輻射源可能有很重要的貢獻(xiàn)，安排了一個(gè)專(zhuān)題報(bào)告。光子晶體在THz波功能器件方面占有重要地位，安排了一個(gè)專(zhuān)題報(bào)告，會(huì)議還安排了THz科學(xué)技術(shù)在天文學(xué)方面的應(yīng)用的專(zhuān)題報(bào)告。本來(lái)很想安排一個(gè)有關(guān)THz科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用的專(zhuān)題報(bào)告，但因一時(shí)無(wú)法找到合適的報(bào)告專(zhuān)家而未能實(shí)現(xiàn)。但是，與會(huì)專(zhuān)家也可臨時(shí)在會(huì)上就某一問(wèn)題作簡(jiǎn)短報(bào)告。在這次香山科學(xué)會(huì)上，專(zhuān)題報(bào)告的安排如下：專(zhuān)題報(bào)告1基于光學(xué)及光子學(xué)的THz輻射源姚建銓專(zhuān)題報(bào)告2THz波段的光譜分析和探測(cè)汪力專(zhuān)題

7、報(bào)告3太赫茲波的應(yīng)用張存林專(zhuān)題報(bào)告4太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及其他重要的半導(dǎo)體源曹俊誠(chéng)專(zhuān)題報(bào)告5太赫茲波段信號(hào)的檢測(cè)吳培亨專(zhuān)題報(bào)告6太赫茲在天文科學(xué)中的應(yīng)用史生才專(zhuān)題報(bào)告7在激光等離子體中產(chǎn)生的超強(qiáng)太赫茲輻射盛政明專(zhuān)題報(bào)告8真空電子學(xué)對(duì)太赫茲源的可能貢獻(xiàn)，大功率太赫茲輻射源劉盛綱二、太赫茲輻射的主要特征（1）量子能量和黑體溫度很低Wave numberWavelengthFrequencyEnergyBlackbody Temp.1cm-110mm30GHz120eV1.5K10cm-11mm300GHz1.2meV15K33cm-1300m1THz4.1meV48K100cm-1100m3THz

8、12meV140K200cm-150m6THz25meV290K670cm-115m20THz83meV960K（2）許多生物大分子，如有機(jī)分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率都在THz波段，所以在THz波段表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收和諧振。（3）THz輻射能以很小的衰減穿透物質(zhì)如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等，因此可用其探測(cè)低濃度極化氣體，適用于控制污染。THz輻射可無(wú)損穿透墻壁、布料，使得其能在某些特殊領(lǐng)域發(fā)揮作用。（4）THz的時(shí)域頻譜信噪比很高，這使得THz非常適用于成像應(yīng)用（5）帶寬很寬（0.110T）Hz。（6）很短的THz脈沖卻有著非常寬的帶寬和不同尋常的特點(diǎn)。三、太赫茲的重要戰(zhàn)略意義 重大科技項(xiàng)目，國(guó)家

9、重大目標(biāo)經(jīng)過(guò)近十幾年來(lái)的研究，國(guó)際科技界公認(rèn)，THz科學(xué)技術(shù)是一個(gè)非常重要的交叉前沿領(lǐng)域。由于THz的頻率很高（波長(zhǎng)比微波小1000陪以上），所以其空間分辨率很高。又由于脈沖很短（飛秒），THz輻射具有很高的時(shí)間分辨率。THz成像技術(shù)及THz波譜技術(shù)就構(gòu)成了THz應(yīng)用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。另一方面，THz的能量很小，不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線(xiàn)相比，它又有很大的優(yōu)勢(shì)。Yale大學(xué) CASchmutenmaer教授在今年IRMMWTHz國(guó)際會(huì)議上做大會(huì)特邀報(bào)告，題目為“Learning Chemistry and Physics to Terahertz（利用THz重新學(xué)習(xí)化學(xué)和物理學(xué))”

10、?？梢?jiàn)，國(guó)際科技界對(duì)THz的重視。國(guó)際科技界對(duì)THz輻射有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：l、THz輻射是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源。2、THz技術(shù)為科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全等方面提供了一個(gè)非常誘人的機(jī)遇。因此，積極開(kāi)展THz科學(xué)技術(shù)的研究工作對(duì)我國(guó)具有重要的戰(zhàn)略意義。A科學(xué)研究的新的強(qiáng)有力的新方法（1）THz成像和THz波譜學(xué)在物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等方面有著極其重要的應(yīng)用。（2）THz波不僅可以成像而且可以作為一種特殊而有效的探針，對(duì)物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行深入研究，提供關(guān)于物質(zhì)的化學(xué)及生物成分、波譜特性、THz標(biāo)記、量子互作用過(guò)程等重要信息。例如：利用THz很高的時(shí)域分

11、辨率研究CdSe光導(dǎo)量子過(guò)渡現(xiàn)象，研究Ti02納米晶格中載流子的輸運(yùn)過(guò)程，以及研究調(diào)控原子分子的無(wú)輻射量子躍遷等方面均取得了重要的新成果。THz量子光學(xué)及量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用及強(qiáng)磁場(chǎng)下半導(dǎo)體的THz輻射等方面都作出了很突出的成就。利用強(qiáng)功率THz輻射可激發(fā)起物質(zhì)內(nèi)部原子及分子的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)過(guò)程，從而利用大功率超短脈沖THz可以在分子水平上研究物質(zhì)的非線(xiàn)性特性。（3）THz在等離子體檢測(cè)方面也有重要的優(yōu)勢(shì)。利用THz輻射可以探測(cè)出高溫、高密度等離子體中密度的空間分布。THz在天文學(xué)研究上的應(yīng)用顯得很突出，科學(xué)家們?cè)谀蠘O建立了一個(gè)移動(dòng)天文站，利用THz望遠(yuǎn)鏡觀察到很多重要的新星體，對(duì)于研究宇宙的起源和星

12、體的形成有重要的意義(值得一提的是我國(guó)在2005年初，也在南極建立了一個(gè)研究站)。因此，國(guó)際科技界認(rèn)為，THz輻射可能引發(fā)科學(xué)技術(shù)的革命性發(fā)展BTHz技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起著重要的推動(dòng)作用（1）THz在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用具有很大的吸引力。在皮膚癌的診斷和治療，DNA的探測(cè)，THz的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，THz斷層成像，THz生物化學(xué)應(yīng)用，藥物的分析和檢測(cè)等方面都顯示了其強(qiáng)大的功能和成效?；趯?duì)蛋白質(zhì)及基因特性等的研究，可建立起THz生物分子診斷技術(shù)。從而極大推動(dòng)分子生物學(xué)的發(fā)展，并在醫(yī)療及藥品的研制鑒定方面有很大的應(yīng)用前景。（2）由于生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率均在THz波段，而THz輻射技術(shù)又可提取DNA的

13、重要信息，因此，THz在植物，特別是糧食選種，優(yōu)良菌種的選擇等方面可以起重要的作用?？傊掌澘茖W(xué)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)、食品加工等行業(yè)有重要意義。THz在生物醫(yī)學(xué)上有廣泛的應(yīng)用前景，下圖表示在THz對(duì)皮膚癌的診斷和應(yīng)用。（3）THz輻射可以穿透煙霧，又可檢測(cè)出有毒或有害分子，所以在環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)方面可以發(fā)揮重要作用。據(jù)報(bào)道，THz環(huán)境監(jiān)控設(shè)備（利用CO2激光作為泵源產(chǎn)生的2.5THz)已安裝在美國(guó)衛(wèi)星上。CTHz在國(guó)家安全、反恐方面的應(yīng)用有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（1）利用THz可以穿透物質(zhì)的特性，英國(guó)首先研制了THz攝像機(jī)并且已在機(jī)場(chǎng)安全檢查方面進(jìn)行試用，效果很好。特別重要的是美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和田

14、納西大學(xué)合作，開(kāi)展“穿墻計(jì)劃（Through wall Program）”，利用THz成像技術(shù)從外部獲得墻內(nèi)信息。顯然，這項(xiàng)穿墻技術(shù)在國(guó)家安全方面有很重要的價(jià)值此外，利用THz波譜可以快速、有效的檢查和識(shí)別毒品，美國(guó)已開(kāi)展用THz譜技術(shù)檢查郵件等項(xiàng)目，包括THz化學(xué)和生物制品的檢測(cè)。（2）THz在雷達(dá)和通信等方面的應(yīng)用也有很大的潛力。THz在太空通信方面的巨大優(yōu)勢(shì)是沒(méi)有疑問(wèn)的。THz的大氣窗口也已研究過(guò)(圖6所示)。THz雷達(dá)在反隱身方面有特殊的功能。下面的報(bào)告中會(huì)談到大功率THz輻射源的問(wèn)題，這方面的研究工作是為T(mén)Hz雷達(dá)等做準(zhǔn)備的。THz衛(wèi)星太空成像和通信技術(shù)可能是今后大國(guó)關(guān)注的重要領(lǐng)域。

15、（3）THz應(yīng)用于航天飛機(jī)可能故障的探測(cè)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事之后不久，根據(jù)航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)拍攝的錄像資料，提出了對(duì)失事原因的分析。美國(guó)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。所采用的THz脈沖中心頻率為lTHz，頻帶寬度為3THz。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，尤其是最近的對(duì)PALRamp SOFI絕熱泡沫層的成功探測(cè)，充分證明THz脈沖的確可以對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行有效的無(wú)損探傷。我國(guó)太空發(fā)展計(jì)劃肯定會(huì)需要這樣的技術(shù)。D、THz科學(xué)技術(shù)是新一代IT產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)（1）科學(xué)家們預(yù)計(jì)，一旦THz輻射源、THz檢測(cè)技術(shù)等發(fā)展以后，THz可以在現(xiàn)代IT科學(xué)技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。下面將要說(shuō)明這種競(jìng)爭(zhēng)實(shí)際上已經(jīng)開(kāi)始。（2）隨著THz科學(xué)技

16、術(shù)的發(fā)展，很多高科技公司相繼誕生，例如：英國(guó)Rultherford國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Rutherford Appleton Lab（RAL）)及歐洲航天局(ESA)于2002年起，執(zhí)行Star Ti ger計(jì)劃成功后，建立了一個(gè)公司ThruVision公司，專(zhuān)門(mén)從事有關(guān)THz成像的商品化工作，開(kāi)發(fā)出被動(dòng)式THz成像儀，有以下特點(diǎn)：a被動(dòng)式不需要THz源；b可實(shí)時(shí)成像。英國(guó)劍橋大學(xué)孵化出(Spinoff)一個(gè)高科技公司一TeraView Ltd從事THz攝像機(jī)的開(kāi)發(fā)；（3）美國(guó)Michigen大學(xué)及Stanford大學(xué)孵化出Picometrix；PhysicalscienceInc；Calabazas

17、 Creek ResInc等公司。基地設(shè)在加州的Picometrix公司的任務(wù)是“將THz科學(xué)技術(shù)交給政府及大學(xué)實(shí)驗(yàn)室手中，以便他們用于各項(xiàng)研究工作”。（4）日本也有很多公司，它們已經(jīng)在從事包括高功率THz源在內(nèi)的有關(guān)THz科學(xué)技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)及成果的商業(yè)化等工作。可見(jiàn)，以THz科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代IT產(chǎn)業(yè)已開(kāi)始逐步形成。E研究THz技術(shù)本身就是一門(mén)重要的學(xué)科如各種THz輻射的產(chǎn)生機(jī)制、超短脈沖THz的傳播和傳輸、THz與物質(zhì)的相互作用等。下面給出幾幅THz成像及THz波譜的結(jié)構(gòu)框圖。其中，有一幅是JPL研制的150微米的THz成像框圖。由這些框圖可以看到THz成像和THz波譜的發(fā)展和應(yīng)用。

18、同時(shí)也可以看到為了建立THz成像和THz波譜需要研究哪些THz器件和元件，如：THz源，THz檢測(cè)，混頻，THz傳輸、諧振等，以構(gòu)成一個(gè)完整的THz成像和THz波譜系統(tǒng)。從下節(jié)起，我們將討論這些器件和元件。四、太赫茲輻射源有很多方法都可以產(chǎn)生THz輻射。（1）半導(dǎo)體THz源（包括THz量子級(jí)聯(lián)激光器等）。（2）基于光子學(xué)的THz發(fā)生器。（3）利用自由電子的THz輻射源（包括THz真空器件，電子回旋脈塞和自由電子激光）。（4）基于高能加速器的THz輻射源不同的用途對(duì)THz源可能提出不同的要求。有點(diǎn)要求輸出功率較大，有的要求有較合適的頻率。2002年在Nature上發(fā)表了兩篇THz源的重要文章。這

19、兩篇文章對(duì)THz源的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。（1）“Terahertzsemiconductor heterostructurelaser”，Nature417，156159，2002By Italian and UK Scientists，Radiomen Kiblenetc，It is considered as a breakthrough in the Quantum cascade lasers（2）“High power TerahertzRadiationFromRelativisticElectronics”，Nature 420，153156，2002，這篇文章被Natur

20、e編輯部確定為“研究亮點(diǎn)(Research highlights)”這項(xiàng)工作是由以下三個(gè)美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室：Lawrence Livermoe，Brookhaven and JeffersanNationalLabs完成的。兩篇文章中一篇是有關(guān)量子級(jí)聯(lián)激光的突破，這是一種非常重要的半導(dǎo)體THz輻射源。另一篇是基于自由電子的有關(guān)高功率THz輻射的，結(jié)合了光子學(xué)和電子學(xué)技術(shù)。1、半導(dǎo)體太赫茲源固態(tài)THz源具有小巧、價(jià)格低廉和頻率可調(diào)的特點(diǎn)，是人們希望的一種THz源。但半導(dǎo)體器件的工作頻率難于達(dá)到1THz以上，而半導(dǎo)體THz激光器，特別是THz量子級(jí)聯(lián)激光器是目前的發(fā)展重點(diǎn)之一。第一篇關(guān)于量子級(jí)聯(lián)激光的

21、文章有Melvin Lax等發(fā)表于1960年，其后于1994年起，Bell實(shí)驗(yàn)室的JFaist做了很多有益的工作（Science，264，22，1994)。在俄國(guó)這方面的工作也做了不少(Kazarinov，SovPhysSemi5，207，1971)，但實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期沒(méi)有突破。朗訊曾把QCL作為一個(gè)研發(fā)重點(diǎn)，但沒(méi)有結(jié)果。直至2002年由英國(guó)和意大利科學(xué)家獲得突破（Nature 417，156159，2002）。量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是以異結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體（GaAsAIGaAs）的導(dǎo)帶中的次能級(jí)間的躍遷為基礎(chǔ)的一種激光器。利用縱向光學(xué)聲子的諧振產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2002年的結(jié)果是頻率4.4THz，溫度50K

22、，脈沖功率20mW。此后，很多國(guó)家都積極開(kāi)展QCL的研究工作，采用了不同的材料。到2004年，美國(guó)MIT最新的結(jié)果是：2.1 THz，CW功率lmW(溫度93K)，脈沖功率為20mW（溫度137K）。到2005年，MIT QCL已經(jīng)用于THz成像，可見(jiàn)THz技術(shù)發(fā)展的速度比我們想象的要快得多。在我國(guó)，中國(guó)電子集團(tuán)南京55所，渡越雪崩二極管可以做到0.1THz。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，已開(kāi)展QCL的研究工作并已作出一定的成果。半導(dǎo)體THz輻射源已安排了一個(gè)專(zhuān)題報(bào)告進(jìn)行詳細(xì)論述。2、基于光子學(xué)的太赫茲輻射源飛秒激光脈沖的發(fā)展給THz源帶來(lái)了很大的機(jī)遇。已經(jīng)發(fā)展了很多基于

23、飛秒激光脈沖和非線(xiàn)性光學(xué)晶體的THz激光源。如THz光導(dǎo)天線(xiàn)、光整流、非線(xiàn)性差頻、THz參量振蕩器和放大器（TPG，TPO，TPA）和光學(xué)Cherenkov輻射等等。這種方法產(chǎn)生的THz輻射，可以是脈沖的，也可以是連續(xù)波的。下圖表示光脈沖通過(guò)非線(xiàn)性光學(xué)晶體產(chǎn)生THz輻射的典型情況。差頻發(fā)生器（DEG），是一個(gè)三波混頻非線(xiàn)性過(guò)程。這方面的研究工作，我國(guó)天津大學(xué)等單位，也已開(kāi)展了研究工作，并作出了一定的成果。詳細(xì)內(nèi)容將在專(zhuān)題報(bào)告中給出。3、基于真空電子學(xué)的太赫茲源近兒年來(lái)，隨著THz科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用真空電子學(xué)產(chǎn)生THz輻射的研究工作取得了很大的進(jìn)步，其中包括真空電子器件、電子回旋脈塞、自由

24、電子激光、Cherenkov輻射，甚至使用儲(chǔ)存環(huán)加速器來(lái)產(chǎn)生高亮度THz輻射。某些真空電子器件如返波管（BWO）、擴(kuò)展互作用振蕩器（E1O）、繞射輻射器件(Orotron)等的工作頻率己接近或達(dá)到1THz?；匦芸赏?THz產(chǎn)生千瓦級(jí)的脈沖輸出，平均功率可達(dá)幾十瓦以上。特別是由CIT的JPL實(shí)驗(yàn)室等研究的“納米速調(diào)管”可望在13THz頻率上工作。納米速調(diào)管結(jié)合了電子學(xué)、光子學(xué)和微加工技術(shù)，是很有創(chuàng)新意義的一種新器件。納米速調(diào)管由于使用微加工技術(shù)，所以保證每個(gè)納米速調(diào)管頻率和相位的一致性，因此可以組成納米速調(diào)管陣列，以大大提高輸出功率。利用構(gòu)成THz陣列輻射源是提高THz輻射功率的一個(gè)重要途徑

25、。自由電子激光可工作于THz。自由電子激光的波長(zhǎng)主要取決于搖擺器的周期和電子束的能量：42 （12）-1 v/c 其中w是搖擺器周期，是相對(duì)論因子。今年1月13一14日，在美國(guó)Honolulu召開(kāi)的THz輻射源研討會(huì)上，報(bào)告了一篇用lMeV靜電加速器的FEI，可以在2mm到500微米，（0.156）THz，產(chǎn)生lkW的準(zhǔn)連續(xù)波輸出，這一結(jié)果被認(rèn)為是迄今為止最重要的成果之一。2002年，在Nature上發(fā)表的另一篇論文體現(xiàn)了電子學(xué)和光子學(xué)相結(jié)合的方法。利用飛秒激光照射GaAs光學(xué)晶體，發(fā)射出電子束，再用加速器將電子束加速到40MeV。電子在磁場(chǎng)作用下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而發(fā)射出THz輻射，由于電子束的尺

26、度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，所以輻射是相干的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到20w連續(xù)波的THz輻射。所以，如前所述，Nature編輯部將這篇文章定為研究亮點(diǎn)。我國(guó)真空電子器件已有相當(dāng)好的基礎(chǔ)，回旋管的研究工作已在電子科技大學(xué)和中科院電子所進(jìn)行，在0.1THz已作出近100KW脈沖輸出的回旋管。FEL己在中科院高能物理所、中國(guó)工程物理研究院、北京大學(xué)和電子科技大學(xué)進(jìn)行，并取得一定的成果。利用自由電子產(chǎn)生THz輻射的詳細(xì)論述將在另一專(zhuān)題報(bào)告中給出。五、太赫茲波段信號(hào)的檢測(cè)在THz波段的開(kāi)發(fā)和利用中，信號(hào)的檢測(cè)具有舉足輕重的重要意義。因?yàn)椋环矫?，與較短波長(zhǎng)相比，THz波段光子能量低，背景噪聲常常占據(jù)顯著的地位；另一方面，為

27、了充分發(fā)揮THz系統(tǒng)的作用（例如，發(fā)現(xiàn)更微弱的目標(biāo)、在更遠(yuǎn)的距離上通訊等等），不斷提高接收的靈敏度也是必然的追求。在不同的頻率應(yīng)選擇不同的檢測(cè)器。在THz的低端，一般傾向于外差式的檢測(cè)器，而在THz的高端，直接檢測(cè)器的靈敏度似乎更勝一籌。有關(guān)的簡(jiǎn)況和進(jìn)一步發(fā)展的建議如下。脈沖THz信號(hào)檢測(cè)的兩種方法：（a）光導(dǎo)天線(xiàn)；（b）電光取樣。CW THz信號(hào)的檢測(cè)1超外差式檢測(cè)器（對(duì)于頻率稍低而譜線(xiàn)分辨率十分重要的場(chǎng)合）a）室溫肖特基二極管混頻器，目前的一般水平是本振功率0.5 mW（單管）或35mW（多管）。輻射計(jì)的最小可檢測(cè)溫度是0.05K（500GHz）或0.5K（2500GHz），積分時(shí)間1秒，

28、帶寬1GHz。今后應(yīng)著重于降低其噪聲和所需的本振功率。b）超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體（SIS）結(jié)混頻器，以及以之為前端的接收機(jī)多用在100700 GHz的頻率范圍，最近已推進(jìn)到1200 GHz，并將在2007年用于空間飛行（FIRST，全稱(chēng)Far Infra Red and Submillimeter space Telescope；現(xiàn)改稱(chēng)European Space Agencys Herschel)。c）熱電子測(cè)熱電阻（HEB）混頻器，以Nb，NbN，NbTiN，Al，YBCO等材料制成尺寸為微米量級(jí)的微橋，THz信號(hào)的熱效應(yīng)，使它們有靈敏的響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間也極快（快聲子或電子擴(kuò)散的機(jī)制）。比S

29、IS結(jié)混頻器的工作頻率更高。作為混頻器使用，電壓響應(yīng)是在皮秒的量級(jí)，因此中頻可以達(dá)到幾千兆，甚至15千兆（取決于材料、尺寸、冷卻機(jī)制）。目前工作頻率已高達(dá)5THz，噪聲溫度約為量子極限的10倍左右，本振功率1100nW的量級(jí)。熱電子測(cè)熱輻射計(jì)(HEB)：金屬在低溫下的熱容很小，聲子與電子系統(tǒng)是去耦的。外加的輻射只加熱電子，其溫升可以測(cè)出。肖特基二極管混頻器室溫高靈敏超外差檢測(cè)技術(shù)具體的器件2直接檢測(cè)器（對(duì)于頻率更高但并不需要極高的譜線(xiàn)分辨率的場(chǎng)合）a）室溫的直接檢測(cè)器，種類(lèi)很多，如：小面積GaAs肖特基二極管用作天線(xiàn)耦合的平方率檢測(cè)器；直接吸收熱量后引起電阻變化的普通鉍測(cè)熱電阻；有溫度計(jì)和讀出

30、電路與輻射吸收器集成在一起的復(fù)合測(cè)熱電阻（鉍、碲）；高蘭泡（充氣室內(nèi)吸收熱之后，體積有變化，使鏡子偏轉(zhuǎn)，用光放大器測(cè)出）；聲測(cè)熱電阻（用光聲檢測(cè)器測(cè)出氣泡受熱后壓力的變化）；微測(cè)熱電阻（用天線(xiàn)把功率耦合到小的吸熱區(qū)域）；快速量熱計(jì)；等等。目前，這類(lèi)直接檢測(cè)器的標(biāo)定是很大的問(wèn)題，響應(yīng)時(shí)間約為秒的量級(jí)；靈敏度不高（幾微伏）。我們今后的工作應(yīng)該是：改進(jìn)和用好已有的器件，使之符合我們的研究的需要b）冷卻的直接檢測(cè)器，其中，目前已有商品的如：液氦冷卻的硅、鍺或InSb復(fù)合測(cè)熱電阻，響應(yīng)時(shí)間微秒的量級(jí)，4K時(shí)噪聲等效功率（NEP）約為10-13WHz的量級(jí)，冷到毫度時(shí)有很大的改進(jìn)。不少商品的紅外檢測(cè)器對(duì)T

31、Hz也能響應(yīng)。在冷卻的直接檢測(cè)器方面，還有一些目前沒(méi)有商品的，如：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣測(cè)熱電阻（超導(dǎo)薄膜條偏置在超導(dǎo)一正常轉(zhuǎn)變的邊緣）；懸置的微加工的硅條鍍以鉍，以獲得理想的電阻一溫度特性，并由此制成陣列；超導(dǎo)一絕緣一正常金屬（SIN）隧道結(jié)復(fù)合測(cè)熱電阻。這些檢測(cè)器的NEP約為10-17到10-18 WHz的量級(jí)。超導(dǎo)熱電子測(cè)熱電阻(HEB)也可用于轉(zhuǎn)變邊緣檢測(cè)器，NEP約為10-20wHz的量級(jí)。我們今后的工作應(yīng)該是：提出新型的THz波檢測(cè)結(jié)構(gòu)或改進(jìn)國(guó)際上雖已著手研究但尚有許多改進(jìn)余地的器件。鼓勵(lì)研究THz信號(hào)于物質(zhì)的相互作用，從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應(yīng)，據(jù)以研制THz信號(hào)檢測(cè)器，注意國(guó)際上研究工作的新動(dòng)

32、向（例如，用高磁場(chǎng)中冷卻至50 mk的單電子晶體管和量子點(diǎn)，探測(cè)入射的THz光子）。研制以超導(dǎo)體絕緣體超導(dǎo)體（SIS）結(jié)混頻器、熱電子測(cè)熱電阻（HEB）混頻器為前級(jí)的THz波段接收機(jī)，實(shí)際使用于天文、環(huán)境監(jiān)測(cè)登方面。THz的單光子檢測(cè)單電子晶體管和量子點(diǎn)（高磁場(chǎng)&50 mK)NEP10-22 WHz響應(yīng)時(shí)間：毫秒優(yōu)先鼓勵(lì)研究THz信號(hào)與物質(zhì)的相互作用，從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應(yīng)，據(jù)以研制新型THz檢測(cè)器，注意國(guó)際上研究工作的新動(dòng)向。我國(guó)南京大學(xué)和紫金山天文臺(tái)也已開(kāi)展了THz檢測(cè)和接收方面的研究工作，并取得了一定的成果。THz檢測(cè)方面的詳細(xì)內(nèi)容也將在專(zhuān)題報(bào)告中給出。六、太赫茲功能器件為了組成THz系統(tǒng)

33、，例如THz成像和THz波譜等，除了THz源和檢測(cè)系統(tǒng)外，其內(nèi)部連接也是非常重要的，所以需要一些功能器件，如傳輸系統(tǒng)、諧振系統(tǒng)等。已經(jīng)提出了很多種不同的傳輸系統(tǒng)，如：太赫茲金屬不銹鋼波導(dǎo)，太赫茲鐵電聚合物（包層）波導(dǎo)（PVDF），太赫茲塑料帶狀平面波導(dǎo)，太赫茲單模藍(lán)寶石光纖等，但研究發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的直徑0.9mm的金屬導(dǎo)線(xiàn)波導(dǎo)性能可能最好（Nature 432，p377，2004），如圖所示。此外光子晶體在THz功能器件中可能會(huì)有重要的貢獻(xiàn)。光子晶體是折射率在空間周期性變化，存在一定光學(xué)能帶間隙的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有一定的光學(xué)禁帶和通帶，對(duì)于某些波長(zhǎng)是不能透射過(guò)。光子晶體的折射率在空間排列的周期是波長(zhǎng)量

34、級(jí)。光子晶體的材料對(duì)工作波段的光的吸收很小。雖然光子晶體的理論基礎(chǔ)是建立在Maxwell方程基礎(chǔ)上，而半導(dǎo)體的理論基礎(chǔ)是建立在Schrodinger方程基礎(chǔ)上的，它們分別屬于電動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)的范疇。但是可以證明：在光子晶體的條件下，由Maxwell方程和Schrodinger方程，可以得到相同的結(jié)果。如果比較薛定諤方程和波動(dòng)方程：(薛定諤方程)(波動(dòng)方程)以下兩式如果成立：則由薛定諤方程和波動(dòng)方程可得到相同的結(jié)果。由于光子晶體折射率的排列與晶體中原子的排列類(lèi)似，都具有周期性，分析時(shí)都可以引入布洛赫波函數(shù)，因而可以得出：當(dāng)光子晶體中折射率周期為波長(zhǎng)量級(jí)時(shí)可以出現(xiàn)與固體能帶理論中的禁帶相類(lèi)似的光

35、學(xué)禁帶。從發(fā)展歷史上來(lái)看，光子晶體的研究是源自于對(duì)光子的兩個(gè)基本現(xiàn)象的研究（1987年同一期PRL上發(fā)表的2篇文章）。LocalizationofLightS.John，2486（1987）.Inhibition of Spontaneous EmissionE.Yablonovitch，Phys.Rev .Lett.58，2059（1987）事實(shí)上，在此之前人們?cè)缫褢?yīng)用了光子晶體；微波中的慢波結(jié)構(gòu)和光學(xué)中的布拉格光柵，它們都屬于一維光子晶體。1991年制造出第一個(gè)人造三維光子晶體Yablonovite型光子晶體。最早由STJRussell等人于1992年提出的光子晶體光纖是典型的二維光子晶體

36、。1998年報(bào)道了第一個(gè)真正利用光子禁帶（PBG）導(dǎo)光的光子晶體光纖。VBerger于1998年提出非線(xiàn)性光子晶體。二維光子晶體與固體能帶理論類(lèi)似，在完美的光子晶體中也可以引入雜質(zhì)和缺陷，使嚴(yán)格的周期結(jié)構(gòu)破壞，這些缺陷能夠束縛一定頻率的光子，產(chǎn)生局域化的能級(jí)，這部分局域態(tài)位于光學(xué)禁帶之中。在光子晶體中也可以引入不同類(lèi)型的缺陷；點(diǎn)缺陷，線(xiàn)缺陷和面缺陷等。這些缺陷的控制是光子晶體實(shí)現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)。缺陷態(tài)與局域態(tài)利用光子晶體的局域態(tài)可以制備光子晶體的波導(dǎo)，微腔，環(huán)形諧振腔，分束器，耦合器等波導(dǎo)器件，可以制備出微小型平面光學(xué)回路（PLC），也可能實(shí)現(xiàn)三維光學(xué)回路模塊。光子晶體具有某些獨(dú)特的光學(xué)特性，

37、如微腔的高Q值性，超棱鏡，大群折射率和負(fù)折射率等，使制備無(wú)閾值激光器，高效光放大器或其他功能器件成為可能。利用光子晶體的非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)，使制造出光開(kāi)關(guān)、光二極管，光三極管，光邏輯回路等器件成為可能，是制造全光集成芯片的基礎(chǔ)。光子晶體在近代科學(xué)技術(shù)特別是光學(xué)上有很多重要的應(yīng)用。這里我們僅討論光子晶體在THz技術(shù)中的應(yīng)用。雖然光子晶體在THz技術(shù)中主要可以用來(lái)作為各種功能器件：1光子晶體THz傳輸線(xiàn)、波導(dǎo)2光子晶體THz諧振腔3光子晶體THz濾波器4光子晶體THz波偏振器5光子晶體THz波開(kāi)關(guān)6光子晶體THz波混頻器7光子晶體THz波天線(xiàn)下面舉出光子晶體在THz科技中應(yīng)用的實(shí)例。（1）THz波在光

38、子晶體中的傳播，德國(guó)半導(dǎo)體研究所（InstitutsfrHalbleitertechnik)研究了THz波在光子晶體中的傳播，結(jié)果表明：THz波在硅二維光子晶體中能很好的傳播，理論和實(shí)驗(yàn)相符。（2）德國(guó)Freiburg大學(xué)Sherwin Group使用了激光化學(xué)蒸汽沉積技術(shù)用Al203陶瓷材料研究制作了THz波光子晶體。（3）美國(guó)UCSB(圣芭芭拉大學(xué))Sherwin Group研究制作了THz波光子晶體諧振腔。用硅材料使用離子蝕刻技術(shù)制成了三維光子晶體。（4）日本Osaka University用彩色打印機(jī)制作THz金屬光子晶體（5）日本物理化學(xué)研究所最近用多層約瑟夫結(jié)制作THz光子晶體濾波

39、器(PRL94，157004，2005) （6）光子晶體THz諧振腔美國(guó)University of Delaware用硅光子晶體制成，微盤(pán)結(jié)構(gòu)（microdisk）光子晶體微諧振腔。為了發(fā)展THz光子晶體功能器件，需要做好以下研究工作：1理論研究：光子禁帶的理論基礎(chǔ)研究，如新型光子晶體及其光子能帶特點(diǎn)，慢變結(jié)構(gòu)光子晶體，光子晶體非線(xiàn)性特性研究等2功能器件的研究及設(shè)計(jì)：THz光子晶體傳輸特性的研究，THz光子晶體濾波器的研究，THz二維光子晶體諧振腔的研究，THz光子晶體波分復(fù)用器件，THz光子晶體開(kāi)關(guān)，THz光子晶體天線(xiàn)。實(shí)際上光子晶體本身就是一門(mén)交叉學(xué)科，許多領(lǐng)域有待研究和開(kāi)發(fā)，有著重要的研

40、究和應(yīng)用價(jià)值，在光學(xué)及其他相關(guān)領(lǐng)域如光通信等有很重要的應(yīng)用。我們這里只研究光子晶體在THz科學(xué)技術(shù)中的重要應(yīng)用。七、結(jié)語(yǔ)THz科學(xué)技術(shù)是重要的發(fā)展極其迅速的交叉學(xué)科前沿，世界各國(guó)都給予極大的重視。由于THz處于電磁波譜的特殊位置，它具有極重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和獨(dú)特的性質(zhì)，從而使它具有非常重要的多方面的應(yīng)用。THz科學(xué)技術(shù)發(fā)展至今不到20年，很多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，如THz輻射源及THz檢測(cè)技術(shù)等尚不夠成熟。但是THz輻射的應(yīng)用已在大力開(kāi)展，并取得很多重要的成果。相關(guān)的THz成像和波譜技術(shù)也已經(jīng)并正在快速的發(fā)展。隨著THz科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用的迅速發(fā)展，很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的研究成果孵化出一批高科技產(chǎn)業(yè)正在推動(dòng)新一代IT產(chǎn)業(yè)的興起。八、對(duì)我國(guó)太赫茲科學(xué)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略思考和建議THz科學(xué)技術(shù)是具有戰(zhàn)略意義的交叉學(xué)科前沿，既是重大科學(xué)項(xiàng)目，又屬于國(guó)家重大目標(biāo)。國(guó)家應(yīng)給予足夠的重視。我國(guó)THz科學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該由國(guó)家主導(dǎo)推動(dòng)，形成一個(gè)有目的、有計(jì)劃、有組織、有梯隊(duì)，分層次，從而能夠有序的開(kāi)展研究工作。我國(guó)THz技術(shù)研究工作已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，為了進(jìn)一步